納米膨潤土改良紅黏土力學(xué)特性機(jī)理分析

陳學(xué)軍

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 廣西桂林541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室， 廣西桂林541004)

0 引言

紅黏土是碳酸鹽類巖石經(jīng)過紅土化、化學(xué)風(fēng)化殘積、坡積形成的黏土，一般顏色為黃褐色、褐紅色，主要分布在熱帶、亞熱帶地區(qū)[1-2]。桂林地處南嶺山脈的西南端，北緯25°14′，屬于亞熱帶溫濕多雨氣候，干濕交替、氣溫多變，為紅黏土的形成提供了外部條件[3-4]。紅黏土受母巖、地形地貌、氣候特征等各種因素的影響，復(fù)雜多變的地質(zhì)成因是紅黏土具有特殊性質(zhì)的根本來源，主要表現(xiàn)在高強(qiáng)度性、低壓縮性、高含水率、高孔隙比、高液限，及土層狀態(tài)為上硬下軟，硬塑紅黏土有網(wǎng)狀裂隙等特殊性質(zhì)[5]，紅黏土的特殊性誘發(fā)了地面塌陷、地基不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)、道路開裂等工程病害。

針對紅黏土特殊性質(zhì)，孔雀[6]用廢木灰改性紅黏土,得到隨廢木灰含量的增大,紅黏土的最優(yōu)含水量、滲透系數(shù)增大，廢木灰改變了紅黏土的均一性；張金利等[7]研究聚丙烯纖維—紅黏土的力學(xué)特性，得到加入纖維后,紅黏土強(qiáng)度、粘聚力增高，內(nèi)摩擦角變化不明顯；劉之葵等[8]研究水泥對紅黏土的改良效果，得到內(nèi)摩擦角和粘聚力隨著水泥摻入量增加而增大，以及加入一定量水泥后紅黏土的液、塑限也會提高；欒傳寶[9]用粉煤灰改性紅黏土,確定摻加粉煤灰10 %時,紅黏土的水穩(wěn)定性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最優(yōu)；曾軍[10]研究得到石灰可以有效的改良紅黏土的力學(xué)特性,隨著石灰摻量的增大,紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后變小，最優(yōu)含水率增加,最大干密度減小，最優(yōu)摻量為8 %；羅斌等[11]研究碎石改良紅黏土，得到摻加碎石后紅黏土細(xì)粒含量減少、收縮性能降低、強(qiáng)度和壓實(shí)密實(shí)提高；楊俊等[12]摻入天然砂礫改良紅黏土，得到隨著摻砂比例的增加，紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度先增大后減小，粘聚力減小，內(nèi)摩擦角、CBR值、回彈模量值均增大，最優(yōu)摻砂比為30 %。

納米膨潤土主要用于橡膠、涂料、瀝青、鉆井液等的改性材料[13-16]，常用的紅黏土改良劑在實(shí)際工程中存在一些問題[17]。為紅黏土改良技術(shù)提供新的路徑，本文采用納米膨潤土作為紅黏土的改良劑，利用室內(nèi)試驗研究不同摻量的納米膨潤土—紅黏土力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，分析納米膨潤土對紅黏土物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)一步探索其改良機(jī)理。

1 試驗材料

試驗所用的紅黏土土樣取自桂林市雁山區(qū)某建筑工地地下5～7m處，呈棕紅色，其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，試驗所用的納米膨潤土來自河北石家莊騰瑞礦產(chǎn)品貿(mào)易有限公司，其基本參數(shù)見表2。

表1 紅黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of red clay

表2 納米膨潤土的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of nano bentonite

納米材料因具有粒徑小、比表面積大、表面能高等特點(diǎn)，而具備了小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等納米效應(yīng)。納米膨潤土的主要成分為蒙脫石，具有吸水膨脹的特性，對微量有機(jī)物具有吸附作用和多種聚附形式形成膠束，在聚集、絮凝、凝膠時產(chǎn)生黏結(jié)性，除此之外納米膨潤土還具有陽離子交換、懸浮等特性。

2 納米膨潤土—紅黏土的力學(xué)性質(zhì)

取回紅黏土土樣后，將其風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩，然后放入溫度為100～110 ℃的烘箱內(nèi)烘干，待烘干的土樣冷卻后，將0 %、1 %、2 %、3 %、4 %(納米膨潤土與風(fēng)干紅黏土的質(zhì)量比)的納米膨潤土摻加到紅黏土中，再按最優(yōu)含水率30 %進(jìn)行噴水，攪拌均勻后密封、靜置24 h。根據(jù)干密度1.35 g/cm3稱取紅黏土的質(zhì)量，采用擊實(shí)法制備三軸樣，抽氣兩小時后，用蒸餾水浸泡12 h，飽和后進(jìn)行三軸試驗。試驗儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-1應(yīng)變式三軸儀，每組試樣分別進(jìn)行圍壓100、200、300、400 kPa的不固結(jié)不排水三軸試驗，剪切速率為0.9 mm/min，直至軸向應(yīng)變達(dá)到15 %終止試驗。

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]，取應(yīng)力應(yīng)變曲線上偏應(yīng)力的峰值作為破壞點(diǎn)，不存在峰值時，取軸向應(yīng)變15 %所對應(yīng)曲線上的點(diǎn)作為破壞點(diǎn)，再以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)、剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，在應(yīng)力平面上繪制莫爾圓，做公切線求得粘聚力、內(nèi)摩擦角，最后根據(jù)莫爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則(1)計算抗剪強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算結(jié)果見表3，抗剪強(qiáng)度擬合函數(shù)相關(guān)系數(shù)見表4,擬合曲線如圖1所示。

τf=c+σtanφ,

(1)

式中：c、φ分別是粘聚力和內(nèi)摩擦角。

表3 抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.3 Shear strength and shear strength index kPa

表4 抗剪強(qiáng)度擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of shear strength fitting function

(a) 抗剪強(qiáng)度擬合曲線

(b) 粘聚力擬合曲線

(c) 內(nèi)摩擦角擬合曲線

從表3和圖1可以看出，重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角隨著納米膨潤土的增加呈先增大后減小的趨勢，納米膨潤土摻量在2 %～3 %之間抗剪強(qiáng)度最大，當(dāng)納米膨潤土摻量相同時，抗剪強(qiáng)度與圍壓成正比例關(guān)系?？辜魪?qiáng)度隨納米膨潤土摻量變化的擬合函數(shù)(y=ax2+bx+c)相關(guān)系數(shù)見表4，從表中可以看出不同圍壓下納米膨潤土最優(yōu)摻量對應(yīng)的最大抗剪強(qiáng)度值，取不同圍壓對應(yīng)的納米膨潤土最優(yōu)摻量的平均值作為改良土抗剪強(qiáng)度的最終最優(yōu)摻量，即2.23 %；同理根據(jù)圖1(b)、(c)求得當(dāng)納米膨潤土摻量為2.87 %時粘聚力最大，其最大值為51.87，當(dāng)納米膨潤土摻量為1.76 %時內(nèi)摩擦角最大，其最大值為4.44°。

3 納米膨潤土—紅黏土的組成成分

將摻加1 %的納米膨潤土—紅黏土三軸試樣碾碎，烘干后再過0.075 mm篩，分別進(jìn)行X射線衍射試驗(XRD)和X射線熒光光譜試驗(XRF)，并與素土進(jìn)行對比，研究納米膨潤土對紅黏土礦物組成及化學(xué)組成成分的影響規(guī)律。XRD試驗采用荷蘭帕納科公司PANalyticalB.V.生產(chǎn)的X′PertPRO X射線衍射儀，得到X射線衍射圖譜如圖2所示，每種礦物的半定量見表5；XRF試驗設(shè)備使用日本株式會社理學(xué)公司生產(chǎn)的ZSX PrimusⅡ型X射線熒光光譜儀，得到土樣氧化物百分含量的變化規(guī)律見表6。

(a) 紅黏土X射線衍射圖譜

(b) 納米膨潤土—紅黏土X射線衍射圖譜

表5 礦物的半定量Tab.5 Semiquant of minerals

表6 土樣氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.6 Percentage of soil oxides

由圖2中X射線衍射圖譜可知，桂林市雁山區(qū)的紅黏土主要有石英SiO2、高嶺石Al2Si2O5(OH)4、赤鐵礦Fe2O3三種礦物，由表5可知紅黏土礦物中石英半定量相對較高，主要因為石英的結(jié)晶好,其衍射強(qiáng)度較強(qiáng)，加入納米膨潤土后石英的半定量減少，高嶺石、赤鐵礦的半定量增加。根據(jù)表6可知紅黏土化學(xué)成分組成包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3所占比例較高，共占76.73 %，SiO2主要存在黏土礦物和石英中，Al2O3、Fe2O3分別是高嶺石、赤鐵礦的主要成分，這與X射線衍射所測礦物石英(SiO2)、高嶺石(Al4[Si4O10](OH)8)、赤鐵礦(Fe2O3)的半定量相對應(yīng)。

從礦物成分角度分析，不同類型礦物顆粒的表面摩擦和膠結(jié)影響著紅黏土的力學(xué)性質(zhì)，主要是因為不同黏土礦物因顆粒特征各異，導(dǎo)致比表面積、表面微電場強(qiáng)度、結(jié)合水膜厚度不同，進(jìn)而影響紅黏土的力學(xué)特性。納米膨潤土的主要成分是蒙脫石，因為蒙脫石、高嶺石屬于硅酸鹽，具有特有的片或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，非黏土礦物石英通常為針狀或粒狀，屬于三方偏方面體晶類，所以蒙脫石、高嶺石總表面積遠(yuǎn)大于石英。當(dāng)紅黏土中加入納米膨潤土后，蒙脫石和高嶺石的含量增加，提高了紅黏土顆粒的比表面積，使土顆粒間作用力強(qiáng)，增強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)結(jié)；另外，赤鐵礦的增加使土顆粒間游離氧化鐵膠結(jié)增加，宏觀表現(xiàn)為紅黏土的力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)。當(dāng)納米膨潤土摻量超過最優(yōu)摻量以后，大量的蒙脫石吸水膨脹破壞了紅黏土的結(jié)構(gòu)，且蒙脫石吸附的結(jié)合水膜增厚，土顆粒間的接觸點(diǎn)減少，粒間易于錯動，內(nèi)摩擦角減小，且顆粒間的膠結(jié)作用減弱，抗剪強(qiáng)度、粘聚力降低。

從化學(xué)組成成分角度分析，粘聚力可分為固化粘聚力和原始粘聚力，土中膠結(jié)物的含量及其存在形式?jīng)Q定固化粘聚力大小，帶電荷的離子運(yùn)動產(chǎn)生的分子間作用力決定原始粘聚力大小。XRF試驗中，加入納米膨潤土后，F(xiàn)e2O3含量增加，游離氧化鐵以極細(xì)的粒狀分布在紅黏土礦物顆粒的表面或顆粒間，將分散的土顆粒膠結(jié)在一起，紅黏土的固化粘聚力增大；另一方面，可以用擴(kuò)散雙電層理論來闡述離子之間的作用，由于陽離子價數(shù)和濃度不同，將導(dǎo)致黏粒表面雙電層厚度發(fā)生變化，吸著水膜的厚度也就不同，直接影響到土的性狀。由表6可得，加入納米膨潤土后，金屬陽離子Al3+、Fe3+、Ca2+、Na+、K+等含量增加，發(fā)生離子交換使擴(kuò)散層厚度變薄，顆粒間吸附連接力增強(qiáng)，進(jìn)而使紅黏土原始粘聚力增大。

王靜等[19]證明土的抗剪強(qiáng)度主要受FeO、K2O、SiO2含量影響，其次是Na2O、CaO、Al2O3；粘聚力主要受P2O5含量影響，其次是Al2O3、MnO；內(nèi)摩擦角主要受Na2O，SiO2含量影響，其次是K2O、FeO。根據(jù)表6可以看出加入納米膨潤土后大部分氧化物含量增多，導(dǎo)致紅黏土的抗剪強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角增加，與其結(jié)論相符。

4 納米膨潤土—紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)

本次試驗所采用的是日本高新技術(shù)公司生產(chǎn)的S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JM-2100F)，最大加速電壓為30 kV，最大放大倍數(shù)可達(dá)80萬倍，分辨率最大可達(dá)1 nm。將摻量0 %和1 %的納米膨潤土—紅黏土制成干密度為1.35 g/cm3的土樣進(jìn)行掃描電鏡試驗，放大倍數(shù)為500、3 000倍，測試結(jié)果由圖3所示:

(a) 紅黏土500倍

(b) 紅黏土3000倍

(c) 納米膨潤土—紅黏土500倍

(d) 納米膨潤土—紅黏土3000倍

由圖3(a)將紅黏土放大500倍可知顆粒主要以粒團(tuán)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)骨架，團(tuán)絮凝結(jié)構(gòu)，土顆粒以集聚體形態(tài)存在,呈獨(dú)立小山峰狀，顆粒間十分松散，在空間中連接排列形成架空孔隙，孔隙及裂隙極其發(fā)育，由(b)放大3 000倍可知紅黏土粒團(tuán)內(nèi)以片狀或顆粒狀單元相互搭接，片狀碎屑狀顆粒與小團(tuán)粒體較多，土顆粒邊緣棱角明顯，土體疏松，接觸方式主要為點(diǎn)接觸，顆粒間孔隙較多。

加入納米膨潤土后，放大500倍可以看出改良后紅黏土的孔隙和顆粒的排列發(fā)生了變化，結(jié)構(gòu)緊密，孔隙面積明顯減少，土顆粒表面的粗糙程度得到改善，多為片層狀結(jié)構(gòu)，納米膨潤土增強(qiáng)了顆粒整體膠結(jié)性，使紅黏土的結(jié)構(gòu)從團(tuán)絮凝結(jié)構(gòu)變化至絮狀結(jié)構(gòu)，這些絮狀物主要是納米膨潤土和游離的氧化物與水結(jié)合形成了溶膠膠體。放大3 000倍可見改良土整體以層流結(jié)構(gòu)為主，顆粒的邊緣輪廓較為模糊，土顆粒整體為膠結(jié)式，改良土內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)單元以大小不一的扁平狀、片狀和疊片體凝聚而形成，無明顯排列規(guī)律，碎屑顆粒填充在孔隙中，使部分裂隙、大孔隙減小，接觸方式由點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊婷娼佑|和邊面接觸，單粒體與團(tuán)粒體之間緊密連接在一起，土顆粒相互聯(lián)結(jié)增多，結(jié)構(gòu)致密性增強(qiáng)。以紅黏土放大500倍為例，用MATLAB處理得到的二進(jìn)制圖，白色區(qū)域代表顆粒、黑色區(qū)域代表孔隙，如圖4所示，重塑紅黏土MATLAB處理SEM圖片所得數(shù)據(jù)如表7所示。

(a) 原圖

(b)二進(jìn)制圖

表7 MATLAB處理圖片所得數(shù)據(jù)Tab.7 Data obtained by processing the image with MATLAB

由表7可知，放大倍數(shù)相同時，加入納米膨潤土后，紅黏土的孔隙率、分型維數(shù)降低，相同土樣類型，放大倍數(shù)越大土樣的孔隙率、分型維數(shù)越小。納米膨潤土—紅黏土力學(xué)性質(zhì)提高的主要原因是納米膨潤土加入紅黏土中，會吸附在紅黏土顆粒表面及填充在孔隙中，因為納米膨潤土粒徑小、比表面積大、表面能高，增強(qiáng)了土體內(nèi)部的膠結(jié)，且納米膨潤土的主要成分為蒙脫石，蒙脫石是上下硅氧四面體、中間鋁氫氧八面體組成的三層片狀結(jié)構(gòu)，水分子很容易進(jìn)入晶胞之間，具有吸水膨脹的特性，進(jìn)一步的填充紅黏土的孔隙，增加顆粒間接觸面積，進(jìn)而提高了紅黏土的力學(xué)性質(zhì)。

5 結(jié)論

① 紅黏土的抗剪強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角隨著納米膨潤土的增加呈先增大后減小的趨勢，改良土抗剪強(qiáng)度的最優(yōu)摻量為2.23 %，當(dāng)納米膨潤土摻量為2.87 %、1.76 %時，粘聚力、內(nèi)摩擦角最大，其最大值分別為51.87、4.44°；當(dāng)納米膨潤土摻量相同時，抗剪強(qiáng)度與圍壓成正比例關(guān)系。

② 桂林市雁山區(qū)紅黏土的主要礦物有石英、高嶺石、赤鐵礦，加入納米膨潤土后石英的半定量減少，高嶺石、赤鐵礦的半定量增加；紅黏土化學(xué)成分組成包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5、TiO2，其中SiO2、Al2O3、Fe2O3所占比例較高，共占76.73 %，加入納米膨潤土后，除MnO以外其余氧化物百分含量均增加，其中Al2O3、Fe2O3分別增加5.67 %、1.93 %，相對較高。

③ 紅黏土顆粒主要以粒團(tuán)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)骨架，粒團(tuán)內(nèi)以片狀或顆粒狀單元相互搭接，顆粒松散，土顆粒邊緣棱角明顯，孔隙、裂隙極其發(fā)育；加入納米膨潤土后，孔隙面積明顯減少，土顆粒整體為膠結(jié)式，顆粒的邊緣輪廓較為模糊，顆粒間由點(diǎn)點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊婷娼佑|，相互聯(lián)結(jié)增多，結(jié)構(gòu)致密性增強(qiáng)。

④ MATLAB處理掃描電鏡圖得到，放大倍數(shù)相同時，納米膨潤土使紅黏土的孔隙率、分型維數(shù)降低；相同土樣類型時，放大倍數(shù)越大土樣的孔隙率、分型維數(shù)越小。